L’uranium est un élément métallique dont les atomes possèdent 92 protons. Il appartient aux actinides, une famille d’éléments placée dans le bloc f du tableau périodique. Sa masse atomique standard est de 238,02891 u. À température ambiante, c’est un solide très dense. Comme les isotopes naturels de l’uranium sont radioactifs, ses propriétés nucléaires et sa chimie doivent être distinguées : ses usages dépendent souvent de la composition isotopique ou de la forme chimique du matériau.
Où trouve-t-on l’uranium et comment l’obtient-on ?
L’uranium est présent dans la croûte terrestre, généralement en faible concentration dans des minerais. Il peut aussi se trouver dans l’eau de mer, à l’état de traces. Pour le récupérer à partir d’un minerai, celui-ci est broyé puis traité par des procédés chimiques qui font passer l’uranium en solution. Après séparation et purification, on obtient un concentré d’uranium, qui sera transformé pour les étapes suivantes du cycle du combustible. Les procédés précis varient selon la composition du minerai, comme le décrit l’Élémentarium de la Société chimique de France.
L’extraction du minerai ne produit donc pas directement des éléments combustibles prêts à l’emploi. L’uranium doit être converti en composés adaptés, puis, pour certains réacteurs, enrichi : cette opération augmente la proportion de l’isotope uranium 235 par rapport à l’uranium naturel. Le cycle peut aussi comporter des étapes de fabrication du combustible et de traitement après son utilisation.
Pourquoi l’uranium 235 est-il important ?
L’uranium naturel est constitué principalement d’uranium 238, avec une fraction beaucoup plus faible d’uranium 235 et des traces d’uranium 234. Ces isotopes ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. L’uranium 235 peut subir une fission après capture d’un neutron : son noyau se scinde en fragments et libère de l’énergie ainsi que d’autres neutrons. Dans certaines conditions, ceux-ci provoquent de nouvelles fissions en chaîne.
La chaleur dégagée par ces réactions sert à produire de la vapeur, qui peut entraîner une turbine et un générateur électrique. L’uranium 238, majoritaire dans l’uranium naturel, ne se comporte pas de la même façon avec les neutrons lents. Il peut toutefois en absorber un et se transformer, par désintégrations successives, en plutonium 239, un isotope fissile. Le CEA explique le rôle des isotopes dans le combustible nucléaire.
Quelles autres formes et quels usages connaît-on ?
Dans le combustible nucléaire, l’uranium est couramment utilisé sous forme de dioxyde d’uranium, UO₂, assemblé en pastilles. D’autres composés interviennent lors de sa conversion ou dans certains procédés industriels. La forme chimique compte aussi pour les usages non énergétiques : des composés d’uranium ont notamment servi à colorer des verres et des glaçures céramiques. Ces applications historiques ne signifient pas que des objets contenant de l’uranium soient anodins ; leur composition et leur état doivent être établis avant toute manipulation.
Les usages de l’uranium appauvri, dont la proportion d’uranium 235 a été réduite, exploitent surtout sa forte densité. Il a été employé dans certains contrepoids et matériaux de blindage. L’INRS rappelle que le risque dépend notamment de la forme du composé et de la voie d’exposition : l’inhalation de poussières et le contact avec certains composés solubles ne présentent pas les mêmes enjeux. L’uranium est radioactif, mais son évaluation requiert aussi de tenir compte de sa toxicité chimique.
Comment l’élément a-t-il été identifié ?
Le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth a identifié un nouvel élément dans un minerai en 1789 et l’a nommé d’après la planète Uranus, découverte quelques années auparavant. Eugène-Melchior Péligot a ensuite isolé l’uranium métallique en 1841 : il est donc important de distinguer l’identification de l’élément de l’obtention du métal. Comme les autres actinides, l’uranium présente plusieurs états d’oxydation, c’est-à-dire plusieurs façons de former des ions dans ses composés. Cette diversité contribue à la variété de ses réactions chimiques et de ses formes industrielles.